趙 亮

（山西省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，山西 太原 030024）

1 工程概況

仙臺(tái)水庫(kù)控制流域面積444 km2，壩址位于白洋泉河中下游，在白洋泉河與丹河交匯處上游19 km處，白洋泉河長(zhǎng)45.9 km，縱坡11.6‰。工程壩址以上流域已建中型水庫(kù)1 座，?。ㄒ唬┬退畮?kù)4 座，?。ǘ┬退畮?kù)3 座，需考慮其他水庫(kù)對(duì)新建水庫(kù)的影響。

庫(kù)區(qū)位于附城鎮(zhèn)臺(tái)北村，村南側(cè)的白洋泉河上。庫(kù)區(qū)為峽谷型地段，谷底寬80～150 m，河床縱坡6‰，并發(fā)育有彎道，左右兩岸主要為巖質(zhì)岸坡。庫(kù)區(qū)左岸臺(tái)南村臺(tái)地處發(fā)育有一條古河道，長(zhǎng)約400 m，寬約130 m，由卵石混合土和低液限粘土組成，基巖面高程780 m。在壩址上游右岸發(fā)育支溝，為干谷，僅在雨季有季節(jié)性流水。

2 壩址、壩型方案分析

2.1 壩型的選取

根據(jù)地質(zhì)資料及現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際觀察，擬建水庫(kù)上游基巖多裸露，植被覆蓋率較低，水土流失較嚴(yán)重，且流域面積大，洪水期來(lái)沙量大，庫(kù)區(qū)淤積嚴(yán)重。為保持水庫(kù)的調(diào)節(jié)庫(kù)容，水庫(kù)采用的壩型應(yīng)具有較大的泄洪沖沙能力，較高的排沙比，以加大入庫(kù)沙量的排泄。應(yīng)著重考慮閘壩形式，或者采用在其余壩型上增加排沙裝置的方案。

地質(zhì)勘測(cè)資料顯示，壩址區(qū)覆蓋層深厚，下伏基巖強(qiáng)風(fēng)化層厚度3～7 m，弱風(fēng)化層厚度5～8 m，若建重力壩，重力壩對(duì)地基的要求比較高，按照規(guī)范要求應(yīng)將壩基置于弱風(fēng)化層中上部基巖上，因此重力壩壩基開(kāi)挖深、工程量大。本工程涉及供水量及用水戶較少，擬建的水庫(kù)規(guī)模較小，地面以上壩高較低，若采用重力壩形式，則重力壩地面以下埋深需達(dá)到35 m 左右，與其他壩型不具有可比性，因此采用重力壩壩型顯然不合理。結(jié)合本工程規(guī)模小、水位低、壩基覆蓋層相對(duì)深厚的特點(diǎn)，壩型應(yīng)采用對(duì)地基要求不高、能結(jié)合泄洪沖沙閘布置在河床覆蓋層上的壩型，如混凝土心墻壩，面板堆石壩等。

對(duì)于建筑材料而言，壩址位于石山區(qū)，壩址附近土料、砂料缺乏，石料儲(chǔ)量豐富，因此不宜修建土壩和混凝土心墻壩等消耗土料較多的壩型，但可修建石料用量大的堆石壩或壩體較輕、無(wú)閘孔、胸墻完全擋水的鋼筋混凝土閘壩。面板堆石壩、閘壩所需混凝土粗骨料可就地取材加工，細(xì)骨料、鋼筋、水泥需進(jìn)行外購(gòu)。

2.2 壩型比較

2.2.1 混凝土面板堆石壩

混凝土面板堆石壩是以堆石體為支撐結(jié)構(gòu)，在其上游表面澆筑混凝土面板作為防滲結(jié)構(gòu)的堆石壩，屬于土石壩的一種。具有以下特性：

安全性。將混凝土面板堆石壩的壩基置于堅(jiān)硬的巖石和密實(shí)度良好的砂礫石上，具有良好的抗滑穩(wěn)定性。由于堆石體是非沖蝕性材料，在有滲透水流通過(guò)時(shí)，不會(huì)發(fā)生細(xì)顆粒土體被帶走，出現(xiàn)掏空、管涌等滲透性破壞的問(wèn)題。此外，其抗震性能和沉降變形也是令人滿意的。

經(jīng)濟(jì)性。混凝土面板堆石壩，使用的施工機(jī)械和工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，可用現(xiàn)代大型土石方機(jī)械進(jìn)行高強(qiáng)度施工，具有施工干擾少，施工速度快，總工期短，原料價(jià)格穩(wěn)定等特點(diǎn)。面板堆石壩主要材料是當(dāng)?shù)亻_(kāi)采的大型塊石料，壩體材料品種不多，可以減少水泥、鋼材、木料的使用，降低造價(jià)、運(yùn)輸費(fèi)用等。

適應(yīng)性強(qiáng)。對(duì)壩址地形有很強(qiáng)的適應(yīng)性，既適宜寬闊的河谷區(qū)，也適宜狹窄的河谷深坳。在不利于布置溢洪道時(shí)，如果流量不大，可以采用壩面泄洪的方式。對(duì)地質(zhì)條件有較強(qiáng)的適應(yīng)性，經(jīng)過(guò)不斷改進(jìn)，大壩趾板地基的要求，已從原來(lái)堅(jiān)硬的、不沖蝕的、可灌漿的基巖弱化層，拓寬到經(jīng)過(guò)適當(dāng)處理的強(qiáng)風(fēng)化巖石、砂礫石覆蓋層、殘土等，適應(yīng)性大大增加。對(duì)不同的壩址氣候具有較強(qiáng)的適應(yīng)性，對(duì)降雨影響具有較強(qiáng)的抵抗性，增加了全年施工時(shí)長(zhǎng)。對(duì)施工導(dǎo)流和過(guò)水度汛有一定的優(yōu)勢(shì)，在汛期，混凝土面板堆石壩可以利用未建成的壩體直接擋水或者過(guò)水溢流度汛，簡(jiǎn)化了導(dǎo)流和度汛的過(guò)程，降低了費(fèi)用成本，保證了壩體施工期的安全。同時(shí)，還可實(shí)現(xiàn)分期施工，克服了不可預(yù)見(jiàn)風(fēng)險(xiǎn)的停工、復(fù)工問(wèn)題。

面板堆石壩的缺點(diǎn)。首先，施工分區(qū)較為細(xì)致，如地基的處理不當(dāng)，建成后可能產(chǎn)生不均勻沉降，對(duì)壩體安全影響較大。其次，面板修復(fù)較為困難，面板施工技術(shù)要求較高。此外，施工溫度要求較為苛刻，冬季施工需采取保溫措施防止凍蝕。

2.2.2 鋼筋混凝土閘壩

鋼筋混凝土閘壩，是以擋水閘為主要擋水建筑物的大壩形式，具有以下特性。

安全性。將鋼筋混凝土閘壩壩基置于堅(jiān)硬的巖石和密實(shí)度良好的砂礫石上，具有良好的抗滑穩(wěn)定性。對(duì)產(chǎn)沙量較大的庫(kù)區(qū)，閘壩排沙效果較好，可有效防止淤積。

經(jīng)濟(jì)性。閘壩主要采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，要進(jìn)行必要的地基處理，對(duì)地基承載力要求較高，建設(shè)費(fèi)用與地質(zhì)情況關(guān)系密切。閘壩所需鋼筋混凝土較多，需要外購(gòu)，當(dāng)?shù)亟ú膯蝺r(jià)和運(yùn)費(fèi)對(duì)工程造價(jià)影響較大。

適應(yīng)性。閘壩的適應(yīng)范圍廣，在山谷和河谷均可使用，適用于排沙較多、泄水量較大的地區(qū)。缺點(diǎn)是地基要求高，需置于堅(jiān)硬的、不沖蝕的、可灌漿的基巖弱化層上，對(duì)于地基較差的地質(zhì)條件，需要進(jìn)行分情況計(jì)算。

2.3 壩址的選取

臺(tái)北村至狐貍飼養(yǎng)場(chǎng)河段長(zhǎng)約1.8 km，為峽谷型地段，河流由東向西流至九仙臺(tái)，繞九仙臺(tái)回旋轉(zhuǎn)至西南方向，河流呈“S”形彎曲，河谷斷面呈不對(duì)稱“U”形。從地形條件來(lái)看，河段下游河谷較寬，庫(kù)容條件較好，呈“S”形彎曲河段的凸岸便于導(dǎo)流、泄洪等建筑物的布置。

該段大部分基巖裸露，兩岸山體渾厚，無(wú)大斷裂構(gòu)造，鄰谷不發(fā)育，庫(kù)水向兩岸發(fā)生側(cè)向滲漏的可能性較小。水庫(kù)蓄水后，存在沿溶隙、溶孔向下游滲漏的問(wèn)題，對(duì)壩基采取防滲措施后，滲漏對(duì)供水影響不大。大壩壩肩巖體穩(wěn)定性較好。

河谷較寬，滿足分期導(dǎo)流的要求，“S”形彎曲河道的凸岸可布置永久泄洪洞兼做施工導(dǎo)流洞，因此也可采用全斷面圍堰施工導(dǎo)流方式。

根據(jù)以上地形條件，可以初擬兩個(gè)壩址，上壩址位于壩址區(qū)上部、九仙臺(tái)西側(cè)、河谷寬度最窄處。下壩址布置在壩址區(qū)下部，由于右岸覆蓋層越向上游越薄，同時(shí)避免在工程施工中對(duì)狐貍廠產(chǎn)生干擾，在距離沖溝有足夠安全距離和壩址較短的的條件下，下壩址盡量向上游布置，遵循上述原則，下壩址確定在距離某狐貍廠約150 m、距離沖溝約120 m 處，河谷底寬約165 m。上下兩壩址相距約230 m。

從地質(zhì)條件來(lái)看，上壩址河谷底部寬約80 m，左岸階地寬度約150 m，階地高出河床20 m 左右，河床覆蓋層厚度為0～24.5 m，階地覆蓋層厚30～40 m，壩基灰?guī)r整體完整性好，巖層傾向上游且無(wú)軟弱夾層存在，對(duì)壩基抗滑穩(wěn)定有利。左岸壩肩為土質(zhì)岸坡，右岸壩肩為巖質(zhì)岸坡，巖體穩(wěn)定性較好；左岸九仙臺(tái)為單薄山梁，臺(tái)南村臺(tái)地下方存在古河道，水庫(kù)蓄水后存在單薄山體和古河道滲漏問(wèn)題，滲漏帶長(zhǎng)度約900 m。

下壩址河谷底部寬約165 m，右岸階地水平寬度42 m（至基巖面），階地高出河床8～30 m 左右，河床覆蓋層厚度為0～25.5 m，階地覆蓋層厚0～15 m，壩基與壩肩基巖整體完整性好，巖層傾向上游且無(wú)軟弱夾層存在，對(duì)壩基抗滑穩(wěn)定有利。左、右岸壩肩巖體穩(wěn)定性較好。

3 分析模型的確定

現(xiàn)對(duì)經(jīng)濟(jì)性X1、效益及影響X2、工程可操作性X3及安全性X4四個(gè)方面進(jìn)行分析。擬定下壩址面板堆石壩方案、上壩址面板堆石壩方案、上壩址閘壩方案以及下壩址閘壩方案進(jìn)行比選。

3.1 權(quán)重矩陣的確定

將經(jīng)濟(jì)性X1、效益及影響X2、工程可操作性X3以及安全性X4四項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)，橫向與豎向排列，每行各元素與每列各元素兩兩比較，形成一個(gè)數(shù)字矩陣。設(shè)矩陣W1為權(quán)重模糊互補(bǔ)判斷矩陣，如，X1與X1比較取值為0.5，表示X1相對(duì)X1的權(quán)重為0.5；經(jīng)濟(jì)性X1與效益及影響X2比較，因水庫(kù)前期投入費(fèi)用較高，而直接收益一般較小，且大多屬公益性項(xiàng)目，因此X1較X2重要，故權(quán)重賦值0.6；相反，效益及影響X2與經(jīng)濟(jì)性X1比較，權(quán)重賦值則為0.4。為保證模型建立的客觀性，減少人為主觀因素的影響，可以同時(shí)由另外的人采用以上方法得出矩陣W2。

使用Matlab 軟件依據(jù)以下公式對(duì)W1、W2進(jìn)行歸一化處理，并求解出相應(yīng)權(quán)重（為矩陣W1、W2中第i 行、第j 列元素，Wj為所求權(quán)重值）。

通過(guò)計(jì)算可以求解出W1的權(quán)重向量B1：B1=（W1、W2、W3、W4）=（0.250，0.217，0.251，0.283）

同 理 可 求 出 W2的 權(quán) 重 向 量 B2：B2=（0.275，0.209，0.21，0.275）

再通過(guò)Matlab 軟件求出二者的特征矩陣W1′和W2′：

使用Matlab 軟件，計(jì)算可得矩陣W1與W1′相容性指標(biāo)值為0.05；矩陣W2與W2′相容性指標(biāo)值為0.06，矩陣W1和W2的相容性指標(biāo)為0.08 均小于0.1。因此兩個(gè)矩陣之間是滿意相容的，故可以用兩個(gè)權(quán)重集合的平均值作為其最終的權(quán)重分配向量結(jié)果，B=（0.263，0.213，0.246，0.279）。

3.2 指標(biāo)矩陣的確定

確定權(quán)重向量后，可就經(jīng)濟(jì)性、安全性、工程可操作性及其他方面對(duì)工程的影響，分別建立出四種方案的對(duì)比矩陣。

3.2.1 經(jīng)濟(jì)性模糊判斷矩陣

下壩址兩種壩型：一是閘壩，基底應(yīng)力較大，對(duì)地基承載力及變形要求高，需對(duì)全部覆蓋層壩基進(jìn)行高壓旋噴樁灌漿處理。擬建壩址右側(cè)壩基，均為低液限粘土，面積約占整個(gè)壩基的一半，因此閘壩壩基處理工作量大、費(fèi)用高?；炷撩姘宥咽瘔危豁殞?duì)泄洪沖沙閘及其上下游翼的墻地基進(jìn)行高壓旋噴樁處理，壩體對(duì)壩基承載力要求不高，左側(cè)的卵石混合土壩基只進(jìn)行碾壓整平處理，右側(cè)低液限粘土壩基也只需進(jìn)行強(qiáng)夯處理，地基處理相對(duì)簡(jiǎn)單，費(fèi)用較低。

上壩址覆蓋層為第四系全新統(tǒng)洪沖積卵石混合土，左岸的階地寬闊，山體較為單薄。水庫(kù)下方存在古河道，地形、地質(zhì)條件復(fù)雜，上壩址土質(zhì)條件優(yōu)于下壩址，閘壩的基礎(chǔ)處理和古河道處理規(guī)模較大。其次，上壩址河床較下壩址窄，壩軸線較短，壩體工程量和壩基處理范圍均小于下壩址，但在在相同供水規(guī)模下，上壩址死庫(kù)容大于興利庫(kù)容，有效庫(kù)容相對(duì)較小?；炷撩姘宥咽瘔螌?duì)地質(zhì)要求比閘壩低，但排沙能力較差，需進(jìn)行額外泄洪設(shè)計(jì)。由以上條件，建立四種方案的經(jīng)濟(jì)性模糊判斷矩陣如下：

通過(guò)Matlab 軟件計(jì)算，得出效益性方案的排序?yàn)椋篨1=（0.238，0.260，0.262，0.212）。

3.2.2 效益及影響的模糊判斷矩陣

下壩址若采用閘壩方案，泄洪或者排沙會(huì)對(duì)狐貍場(chǎng)產(chǎn)生影響，必須遷址，且占用周邊農(nóng)田，需要大量移民、征地、環(huán)評(píng)費(fèi)用支出等。若采用面板堆石壩方案，雖可避免影響狐貍場(chǎng)，但運(yùn)輸大量筑壩石料需新建上壩道路。

上壩址左岸是九仙臺(tái)風(fēng)景區(qū)，筑壩會(huì)對(duì)景區(qū)地質(zhì)產(chǎn)生擾動(dòng)。閘壩運(yùn)行中大量的沖沙、排沙會(huì)影響景區(qū)地質(zhì)，且壩址下方的古河道會(huì)產(chǎn)生滲漏，高壓旋噴樁灌漿后存在一定的不確定性。面板堆石壩蓄水，將淹沒(méi)景區(qū)和上游大量的農(nóng)田，移民、征地費(fèi)用較大。綜合以上因素，得到工程影響的模糊判斷矩陣，如下：

計(jì)算得，效益及影響的向量排序?yàn)椋篨2=（0.257，0.203，0.231，0.296）

3.2.3 工程可操作性模糊判斷矩陣

鋼筋混凝土閘壩，可采用普通泄洪沖沙閘壩型，優(yōu)點(diǎn)是壩基受力均勻、施工簡(jiǎn)單、斷面小，采取一般的溫控措施即可滿足混凝土的質(zhì)量要求。面板堆石壩，壩線較長(zhǎng)，高度較高，工藝較為復(fù)雜，面板和壩體伸縮縫要求技術(shù)高。

下壩址地形較平緩，地基基礎(chǔ)相對(duì)較好，更適宜閘壩的施工。上壩址地形條件較為復(fù)雜，相較于閘壩地基前期處理的嚴(yán)苛要求，面板堆石壩可就地取材，根據(jù)地形特點(diǎn)進(jìn)行布設(shè)，且上壩址附近石料資源豐富，均可滿足級(jí)配要求；上壩址旁有已建成的縣級(jí)道路，可為面板堆石壩的大規(guī)模物料運(yùn)輸提供保障?？偨Y(jié)以上工程施工特點(diǎn)，建立工程可操作性模糊判斷矩陣，如下：

通過(guò)計(jì)算，得出關(guān)于安全性的向量排序?yàn)椋篨3=（0.213，0.250，0.283，0.228）。3.2.4 安全性模糊判斷矩陣

滿足水庫(kù)供水需求的工程規(guī)模較小、設(shè)計(jì)水位較低；上下兩壩址壩基覆蓋層均較厚，兩側(cè)所需擋水壩段對(duì)地基均有一定的要求。從安全性出發(fā)，應(yīng)盡可能降低壩高，確保工程安全。工程區(qū)來(lái)沙量較大，閘壩的排沙效果要明顯好于混凝土面板堆石壩，但面板堆石壩對(duì)于地基的應(yīng)力要求明顯小于閘壩。地質(zhì)條件較差，如果沒(méi)有很好的地基防滲處理，閘壩很可能發(fā)生滑移和沉降，繼而產(chǎn)生較大的安全隱患。上壩址地質(zhì)條件相對(duì)較好，進(jìn)行相應(yīng)的地基處理后，都能達(dá)到兩種壩型安全要求。下壩址的壩高、蓄水位明顯高于上壩址。綜合考慮以上安全性條件，建立四種方案的安全性模糊判斷矩陣。

通過(guò)計(jì)算，得出關(guān)于安全性的向量排序?yàn)椋篨4=（0.258，0.325，0.215，0.198）。

按照3.1 中權(quán)重矩陣驗(yàn)證相容性的方法進(jìn)行滿意一致性檢驗(yàn)，計(jì)算上述4 個(gè)矩陣的滿意一致性結(jié)果均小于0.1。因此，以上4 個(gè)方案的決策是可靠的。由此可以得到四4 個(gè)備選方案與4 個(gè)參考依據(jù)準(zhǔn)則間的向量組成的判斷矩陣，如下：

4 模型結(jié)果的確認(rèn)

最終可以將準(zhǔn)則權(quán)重矩陣與指標(biāo)矩陣結(jié)合得到結(jié)果向量Z：

因此采用模糊數(shù)學(xué)加權(quán)平均值的方法，依據(jù)最大隸屬度的原則，得出了最終的結(jié)果排名，下壩址面板堆石壩方案最優(yōu)，其次是上壩址面板堆石壩方案、上壩址閘壩方案、下壩址閘壩方案。綜合比較，推薦采用下壩址面板堆石壩方案。